Zener-diodkretsar, egenskaper, beräkningar

Zener-dioder - uppkallade efter uppfinnaren Dr. Carl Zener används i grunden i elektroniska kretsar för att generera exakta spänningsreferenser. Dessa är enheter som kan skapa en praktiskt taget konstant spänning över dem oavsett variationer i krets- och spänningssituationer.

Externt kan du hitta zener-dioder som liknar standarddioder som 1N4148. Zener-dioder fungerar också genom att rätta till växelström till pulserande likström, precis som deras traditionella alternativ. Men i motsats till vanliga likriktardioder är zenerdioder konfigurerade med deras katod direkt ansluten till det positiva av matningen och anoden med den negativa matningen.

Egenskaper

I sin standardkonfiguration uppvisar Zener-dioder ett högt motstånd under en viss, kritisk spänning (känd som Zerier-spänningen). När denna specifika kritiska spänning överträffas, faller Zenerdiodens aktiva motstånd till en extremt låg nivå.

Och vid detta låga motståndsvärde hålls en effektiv konstant spänning över Zeners, och denna konstanta spänning kan förväntas behålla oavsett ändring i källströmmen.

Med enkla ord, när tillförseln över zenerdioden överstiger det nominella zenervärdet, leder och jordar zenerdioden överskottsspänningen. På grund av detta sjunker spänningen under zenerspänningen som stänger av zenern, och försörjningen försöker återigen överstiga zenerspänningen och slår på zenern igen. Denna cykel upprepas snabbt vilket slutligen resulterar i att utgången stabiliseras till exakt vid ett konstant zenerspänningsvärde.

Denna egenskap markeras grafiskt i figuren nedan, vilket indikerar att över 'Zener-spänningen' fortsätter backspänningen att vara nästan konstant även med variationer i backström. Som ett resultat används ofta Zener-dioder för att få ett konstant spänningsfall, eller referensspänning, med deras inre motstånd.

Zener-dioder är utformade i många wattvärden och med spänningsvärden som sträcker sig från 2,7 volt till 200 volt. (Men mestadels används Zener-dioder med värden långt över 30 volt nästan aldrig.)

Grundläggande Zener-diodkrets fungerar

En standardkrets för spänningsregulatorer, som använder ett enda motstånd och en Zener-diod, kan bevittnas i följande bild. Låt oss anta att Zener-diodens värde är 4,7 V och matningsspänningen V in är 8,0 V.

Den grundläggande bearbetningen av en zenerdiod kan förklaras med följande punkter:

I avsaknad av en belastning över zenerdiodens utgång kan en 4,7 volt ses tappa över zenerdioden medan en avstängd 2,4 volt utvecklas över motståndet R.

Om ingångsspänningen ändras, låt oss föreställa oss att från 8,0 till 9,0 V kommer att orsaka att spänningsfallet över Zener fortfarande bibehåller den nominella 4,7 V.

Spänningsfallet över motståndet R kunde dock ses ökat, från 2,4 V till 3,4 V.

Spänningsfallet över en idealisk Zener kan förväntas vara ganska konstant. I praktiken kan det hända att spänningen över zenern ökar något på grund av Zeners dynamiska motstånd.

Proceduren genom vilken förändringen i Zener-spänningen beräknas är genom att multiplicera zeners dynamiska motstånd med förändringen i Zener-ström.

Motståndet R1, i ovanstående grundläggande regulatorutformning, symboliserar den föredragna belastningen som kan vara ansluten till zenern. R1 i detta sammanhang kommer att dra en viss mängd ström som rörde sig genom Zener.

Eftersom strömmen i Rs kommer att vara högre än strömmen som kommer in i belastningen, kommer en mängd ström att fortsätta att gå genom Zener vilket möjliggör en perfekt konstant spänning över Zener och belastningen.

Det angivna seriemotståndet Rs bör bestämmas på ett sådant sätt att den lägsta strömmen som kommer in i Zener alltid är högre än den miniminivå som anges för en stabil reglering från zenern. Denna nivå börjar precis under 'knäet' för kurvan för omvänd spänning / omvänd ström, vilket lärts av det tidigare grafiska diagrammet ovan.

Du måste dessutom se till att valet av R ser till att strömmen som passerar genom Zener-dioden aldrig går utöver dess effekt: vilket kan motsvara Zener-spänningen x Zener-ström. Det är den högsta mängden ström som kan passera genom Zener-dioden i frånvaro av belastningen R1.

Hur man beräknar Zener-dioder

Att utforma en grundläggande zenerkrets är faktiskt enkelt och kan implementeras genom följande instruktioner:

1. Bestäm maximal och minsta belastningsström (Li), till exempel 10 mA och 0 mA.
2. Bestäm den maximala matningsspänningen som kan utvecklas, till exempel en 12 V-nivå, och se också till att den minsta matningsspänningen alltid är = 1,5 V + Vz (zeners spänningsvärde).
3. Som anges i grundregulatorns design krävs den erforderliga utspänningen som är ekvivalent Zener-spänningen Vz = 4,7 volt och den valda lägsta Zener-ström är 100 mikroampere . Detta innebär att den maximala avsedda Zener-strömmen här är 100 mikroampor plus 10 milliamprar, vilket är 10,1 milliampere.
4. Seriemotståndet Rs måste tillåta den minsta strömmen 10,1 mA även när ingångsförsörjningen är den lägsta specificerade nivån, som är 1,5 V högre än det valda zener-värdet Vz, och kan beräknas med hjälp av Ohms-lag som: Rs = 1,5 / 10,1 x 10^-3= 148,5 Ohm. Det närmaste standardvärdet verkar vara 150 Ohm, så Rs kan vara 150 ohm.
5. Om matningsspänningen stiger till 12 V blir spänningsfallet över Rs Iz x Rs, där Iz = ström genom zenern. Därför, med tillämpning av Ohms lag får vi Iz = 12 - 4,7 / 150 = 48,66 mA
6. Ovanstående är den maximala strömmen som får passera genom zenerdioden. Med andra ord, den maximala strömmen som kan strömma under maximal uteffekt eller maximalt specificerad matningsspänningsingång. Under dessa förhållanden kommer zenerdioden att sprida en effekt på Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. Det närmaste standardeffektvärdet för att uppfylla detta är 400 mW.

Effekt av temperatur på Zener-dioder

Tillsammans med spännings- och belastningsparametrar är Zener-dioder också ganska motståndskraftiga mot temperaturvariationer runt dem. Men över en viss utsträckning kan temperaturen ha en viss inverkan på enheten som anges i diagrammet nedan:

Den visar kurvan för zenerdiodens temperaturkoefficient. Även om koefficientkurvan vid högre spänningar svarar på cirka 0,1% per grad Celsius, rör sig den genom noll vid 5 V och blir sedan negativ för de lägre spänningsnivåerna. Så småningom når den -0,04% per grad Celsius vid cirka 3,5 V.

Använd Zener-diod som temperatursensor

En bra användning av Zener-diodens känslighet för temperaturförändring är att använda enheten som en temperatursensorenhet som visas i följande diagram

Diagrammet visar ett bryggnätverk byggt med ett par motstånd och ett par Zener-dioder med identiska egenskaper. En av zenerdioderna fungerar som en referensspänningsgenerator, medan den andra zenerdioden används för att känna av förändringarna i temperaturnivåerna.

En standard 10 V Zener kan ha en temperaturkoefficient på + 0,07% / ° C, vilket kan motsvara 7 mV / ° C variation i temperatur. Detta skapar en obalans på cirka 7 mV mellan bryggans två armar för varje enskild grad Celsius variation i temperaturen. En 50 mV full FSD-mätare kan användas i det angivna läget för att visa motsvarande temperaturvärden.

Anpassa Zener-diodvärde

För vissa kretstillämpningar kan det vara nödvändigt att ha ett exakt zenervärde som kan vara ett icke-standardvärde eller ett värde som inte är lätt tillgängligt.

För sådana fall kan en matris med zenerdioder skapas som sedan kan användas för att få ett önskat anpassat zenerdiodvärde, som visas nedan:

I det här exemplet kan många anpassade, icke-standardiserade zenervärden förvärvas över de olika terminalerna, som beskrivs i följande lista:

Du kan använda andra värden i de angivna positionerna för att få många andra anpassade uppsättningar zenerdiodutmatning

Zener-dioder med nätaggregat

Zeners-dioder används normalt med likströmsförsörjning, men dessa enheter kan också utformas för att fungera med nätaggregat. Några AC-tillämpningar av zenerdioder inkluderar ljud, RF-kretsar och andra former av AC-styrsystem.

Som visas i nedanstående exempel, när en växelströmsförsörjning används med en zenerdiod, kommer zenern att omedelbart leda så snart växelsignalen passerar från noll mot den negativa halvan av dess cykel. Eftersom signalen är negativ kommer därför AC att kortslutas via zonen anod till katod, vilket får 0 V att visas utgången.

När växelströmstillförseln rör sig över den positiva halvan av cykeln leder zenern inte förrän växelströmmen klättrar upp till zenerspänningsnivån. När växelströmssignalen passerar zenerspänningen leder zenern och stabiliserar utgången till en 4,7 V-nivå tills växelströmscykeln sjunker tillbaka till noll.

Kom ihåg att medan du använder zener med en växelströmsingång, se till att Rs beräknas enligt växelströms-toppspänningen.

I exemplet ovan är utgången inte symmetrisk, utan en pulserande 4,7 V DC. För att få en symmetrisk 4,7 V växelström vid utgången kan två bak-till-bak-zenrar anslutas som avbildat i nedanstående diagram

Dämpar Zener-diodljud

Även om zener-dioder ger ett snabbt och enkelt sätt att skapa stabiliserade utgångar med fast spänning, har den en nackdel som kan påverka känsliga ljudkretsar som effektförstärkare.

Zener-dioder genererar brus när de körs på grund av sin korsnings lavineffekt när de växlar, allt från 10 uV till 1 mV. Detta kan undertryckas genom att lägga till en kondensator parallellt med zenerdioden, som visas nedan:

Kondensatorns värde kan vara mellan 0,01uF och 0,1uF, vilket möjliggör brusreducering med en faktor 10 och bibehåller bästa möjliga spänningsstabilisering.

Följande graf visar effekten av kondensatorn för att reducera zenerdiodbrus.

Använda Zener för rippelspänningsfiltrering

Zener-dioder kan också användas som effektiva krusningsspänningsfilter, precis som de används för AC-spänningsstabilisering.

På grund av dess extremt låga dynamiska impedans kan zenerdioder fungera som krusningsfilter på samma sätt som filterkondensatorn gör.

Mycket imponerande krusningsfiltrering kan erhållas genom att ansluta en Zener-diod över lasten med vilken likströmskälla som helst. Här måste spänningen vara densamma som krusningsnivån.

I de flesta kretsapplikationer kan detta fungera lika effektivt som en typisk utjämningskondensator med flera tusen mikrofaradkapacitet, vilket resulterar i en signifikant minskning av nivån på krusningsspänningen ovanpå DC-utgången.

Hur man ökar kapaciteten för hantering av zenerdioder

Ett enkelt sätt att öka kapaciteten för att hantera zenerdioder är förmodligen att bara ansluta dem parallellt enligt nedan:

Men praktiskt taget kanske det här inte är så enkelt som det ser ut och kanske inte fungerar som avsett. Detta beror på att precis som alla andra halvledaranordningar också zenrar aldrig har exakt identiska egenskaper, därför kan en av zenerna leda innan den andra drar hela strömmen genom sig själv och så småningom förstörs.

Ett snabbt sätt att motverka detta problem kan vara att lägga till motstånd med lågt värde i serier med varje zenerdioder, som visas nedan, vilket gör att varje zenerdiod kan dela strömmen enhetligt genom kompenserande spänningsfall som genereras av motstånden R1 och R2:

Även om effekthanteringskapaciteten kan ökas genom att ansluta Zener-dioder parallellt, kan ett mycket förbättrat tillvägagångssätt vara att lägga till en shunt-BJT i ​​kombination med en zenerdiod konfigurerad som en referenskälla. Se följande schematiska exempel för detsamma.

Lägga till en shunttransistor förbättrar inte bara zenerns effekthanteringskapacitet med en faktor 10, det förbättrar ytterligare spänningsregleringsnivån för utgången, som kan vara lika hög som den angivna strömförstärkningen för transistorn.

Denna typ av shunttransistor zener regulator kan användas för experimentella ändamål eftersom kretsen har en 100% kortslutningssäker anläggning. Med detta sagt är designen ganska ineffektiv eftersom transistorn kan sprida en betydande mängd ström i frånvaro av belastning.

För ännu bättre resultat, a seriekorttransistor typ av regulator som visas nedan ser ett bättre alternativ och att föredra.

I denna krets skapar Zener-dioden en referensspänning för seriepasstransistorn, som i huvudsak fungerar som en emitterföljare . Som ett resultat bibehålls emitterspänningen mellan några få tiondelar av transistorns basspänning som skapats av Zener-dioden. Följaktligen fungerar transistorn som en seriekomponent och möjliggör effektiv styrning av matningsspänningsvariationerna.

Hela lastströmmen går nu via denna serietransistor. Effekthanteringskapaciteten för denna typ av konfiguration bestäms helt av transistors värde och specifikation, och beror också på effektiviteten och kvaliteten på kylflänsen som används.

Utmärkt reglering kan uppnås från ovanstående konstruktion med hjälp av ett 1k-motstånd. Reguleringen kan ökas med en faktor 10 genom att ersätta den normala zenern med en speciell lågdynamisk zenerdiod, såsom en 1N1589).

Om du vill att ovanstående krets ska ge en variabel spänningsreglerad utgång kan det enkelt uppnås genom att använda en 1K potentiometer över Zener-dioden. Detta gör att en variabel referensspänning kan justeras vid basen av serietransistorn.

Denna modifiering kan emellertid resultera i en lägre regleringseffektivitet på grund av någon växlingseffekt som skapas av potentiometern.

Zener-diodkrets med konstant ström

En enkel Zener-reglerad konstantströmförsörjning kan designas genom en enda transistor som ett motstånd med variabel serie. Figuren nedan visar det grundläggande kretsschemat.

Du kan se ett par kretspassager här, en via zenerdioden ansluten i serie med förspänningsmotståndet, medan den andra vägen går genom motstånden R1, R2 och serietransistorn.

Om strömmen avviker från sitt ursprungliga intervall, skapar den en proportionell förändring av förspänningsnivån för R3, vilket i sin tur får serietransistormotståndet att öka eller minska proportionellt.

Denna justering av transistorns motstånd resulterar i en automatisk korrigering av utgångsströmmen till önskad nivå. Strömstyrningens noggrannhet i denna design kommer att vara cirka +/- 10% som svar på utgångsförhållanden som kan variera mellan en kortslutning och en belastning på upp till 400 Ohm.

Sekventiell reläomkopplingskrets med Zener-diod

Om du har en applikation där en uppsättning reläer måste bytas i följd efter varandra på strömbrytaren istället för att alla aktiveras tillsammans, kan följande design visa sig vara ganska användbar.

Här installeras sekventiellt inkrementerande zenerdioder i serie med en grupp reläer tillsammans med individuella seriemotstånd med lågt värde. När strömmen slås PÅ leder zenerdioderna en efter en i följd i en ökande ordning av deras zenervärden. Detta resulterar i att reläet slås PÅ i sekvens som applikationen önskar. Värdena på motstånden kan vara 10 ohm eller 20 ohm beroende på resistansvärdet för reläspolen.

Zener-diodkrets för överspänningsskydd

På grund av deras spänningskänsliga karakteristik är det möjligt att kombinera Zener-dioder med strömkänsliga egenskaper hos säkringar för att skydda viktiga kretskomponenter från högspänningsspänningar, och dessutom eliminera besvärets besvär från att blåsa ofta, vilket kan hända särskilt när en säkringsgrad är mycket nära kretsens strömspecifikation.

Genom att ansluta en korrekt märkt Zener-diod över lasten kan en säkring som är lämpligt klassad för att hantera den avsedda belastningsströmmen användas under längre perioder. Antag i den här situationen att ingångsspänningen ökar till en utsträckning som överstiger Zener-spänningen - kommer att tvinga Zener-dioden att leda. Detta kommer att orsaka en plötslig ökning av strömmen som säkrar nästan alltid.

Fördelen med denna krets är att den förhindrar att säkringen blåser ofta och oförutsägbart på grund av dess nära säkringsvärde mot lastströmmen. I stället blåser säkringen bara när spänningen och strömmen verkligen stiger över en angiven osäker nivå.

Underspänningsskyddskrets med Zener-diod

Ett relä och en lämpligt vald zenerdiod är tillräckliga för att skapa en exakt lågspännings- eller underskottskyddskrets för alla önskade tillämpningar. Kretsschemat presenteras nedan:

Operationen är faktiskt väldigt enkel, tillförseln Vin som förvärvas från ett transformatorbrygganät varierar proportionellt beroende på ingångs AC-variationer. Det antyder, om antag 220 V motsvarar 12 V från transformatorn, ska 180 V motsvara 9,81 V och så vidare. Om 180 V antas vara tröskeln för lågspänningsavstängning kommer därför att välja zenerdioden som en 10 V-enhet att avbryta reläoperationen när ingången AC sjunker under 180 V.